CN114824001A - 一种外延片、外延片制备方法以及发光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种外延片、外延片制备方法以及发光二极管，所述外延片包括多量子阱层，所述多量子阱层包括周期性交替层叠的量子阱层和量子垒层；其中，所述量子阱层包括依次层叠设置的第一量子阱子层、第二量子阱子层以及第三量子阱子层，所述量子垒层包括周期性层叠在所述第三量子阱子层上的第一量子垒子层和第二量子垒子层，所述第一量子阱子层、所述第三量子阱子层以及所述第二量子垒子层均采用TMGa源进行生长，所述第二量子阱子层采用TEGa源进行生长和所述第一量子垒子层均采用TEGa源进行生长。本发明解决了现有技术中的外延片载流子迁移率低的问题。

Description

一种外延片、外延片制备方法以及发光二极管
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种外延片、外延片制备方法以及发光二极管。
背景技术
过去十年中，AlGaN材料因其在紫外光电器件中的巨大应用潜力而备受关注，紫外LED具有光子能量高、波长短、体积小、功耗低、寿命长、环境友好等特点，在高显色指数白光照明、高密度光学数据储存、传感器、平版印刷、空气净化环保等领域具有广泛的应用。
然而，AlGaN基紫外LED的研制面临的许多的技术困难，例如在Ga源得选择上，AlGaN基紫外LED多量子阱中的量子阱和量子垒通常采用三甲基镓(TMGa)或三乙基镓(TEGa)作为金属有机源。当采用TMGa作为金属有机源时，生长速率相对较快，解吸附效应比较小，得到AlGaN的表面平整度相对较好，但TMGa的C杂质浓度比较高；当采用TEGa作为金属有机源时，生长速率相对较慢，解吸附效应比较大，得到AlGaN的表面平整度较差，但TEGa的C杂质浓度比较低。
现有技术中，由于AlGaN的生长需要较高的温度，使用TEGa作为金属有机源表面原子解吸附效应较大，因此，通常采用TMGa作为AlGaN生长的金属有机源。然而，TMGa作为金属有机源时，C杂质浓度又比较高，导致外延片的载流子迁移率低的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种外延片、外延片制备方法以及发光二极管，旨在解决现有技术中的外延片的载流子迁移率低的问题。
本发明实施例是这样实现的：
一种外延片，包括多量子阱层，所述多量子阱层包括周期性交替层叠的量子阱层和量子垒层；
其中，所述量子阱层包括依次层叠设置的第一量子阱子层、第二量子阱子层以及第三量子阱子层，所述量子垒层包括周期性层叠在所述第三量子阱子层上的第一量子垒子层和第二量子垒子层，所述第一量子阱子层、所述第三量子阱子层以及所述第二量子垒子层均采用TMGa源进行生长，所述第二量子阱子层和所述第一量子垒子层均采用TEGa源进行生长。
根据上述技术方案的一方面，所述第一量子阱子层、第二量子阱子层以及第三量子阱子层均为AlxGa1-xN层，其中，0<x<0.2。
根据上述技术方案的一方面，所述第一量子垒子层和第二量子垒子层均为AlyGa1-yN层，其中，0.3<y<0.8。
根据上述技术方案的一方面，所述第一量子阱子层、第二量子阱子层以及第三量子阱子层的厚度均为1～2nm。
根据上述技术方案的一方面，所述第一量子垒子层与所述第二量子垒子层的厚度均为2～4nm。
根据上述技术方案的一方面，所述外延片还包括衬底、缓冲层、未掺杂的AlGaN层、N型掺杂AlGaN层、电子阻挡层、P型掺杂GaN层以及接触层；
所述缓冲层、未掺杂的AlGaN层、N型掺杂AlGaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型掺杂GaN层以及接触层依次层叠于所述衬底上。
本发明的另一个目的在于提供一种外延片制备方法，用于制备上述任一项所述的外延片，所述外延片制备方法包括：
提供衬底；
在所述衬底上依次外延生长缓冲层、未掺杂的AlGaN层、N型掺杂AlGaN层；
在所述N型掺杂AlGaN层上依次交替层叠预设周期个量子阱层和量子垒层以形成所述多量子阱层；
在最后一个所述量子垒层上依次层叠电子阻挡层、P型掺杂GaN层以及接触层；
其中，依次生长第一量子阱子层、第二量子阱子层以及第三量子阱子层以形成所述量子阱层，在所述第三量子阱子层依次交替层叠预设周期个第一量子垒子层和第二量子垒子层以形成所述量子垒层。
根据上述技术方案的一方面，所述依次生长第一量子阱子层、第二量子阱子层以及第三量子阱子层以形成所述量子阱层，在所述第三量子阱子层依次交替层叠预设周期个第一量子垒子层和第二量子垒子层以形成所述量子垒层的步骤包括：
先通入TMGa源生长第一量子阱子层，然后停止TMGa源的通入并继续通入TEGa源以在所述第一量子阱子层上生长第二量子阱子层，接着停止TEGa源的通入并继续通入TMGa源以在所述第二量子阱子层生长第三量子阱子层，随后停止TMGa源的通入并继续通入TEGa源以在所述第三量子阱子层上生长第一量子垒子层，最后停止TEGa源的通入并继续通入TMGa源以在所述第一量子垒子层上生长第二量子垒子层。
根据上述技术方案的一方面，所述第一量子阱子层、第二量子阱子层以及第三量子阱子层的生长温度均为1000℃-1100℃，生长压力均为40Torr～80Torr，所述第一量子垒子层和第二量子垒子层的生长温度均为1000℃-1200℃，生长压力均为40Torr到70Torr。
本发明的另一个目的在于提供一种发光二极管，包括上述任一项所述的外延片。
与现有技术相比，本发明通过将多量子阱层中的量子阱层由第一量子阱子层、第二量子阱子层以及第三量子阱子层三个子层组成，三个子层生长采用的Ga源依次为TMGa/TEGa/TMGa，而量子垒层设置成多周期循环交替第一量子垒子层、第二量子垒子层，其中，生长采用的Ga源为多周期循环交替的TEGa/TMGa，在量子阱层中间插入TEGa作为Ga源生长，虽然TEGa生长时的解吸附效应比较大，但用TMGa作为Ga源生长覆盖，在不影响量子阱层表面的平整度的前提下，还可以降低量子阱层的平均C杂质浓度；多量子阱层中的量子垒层，同样TEGa生长完，用TMGa生长覆盖，在保证量子垒层表面的平整度的前提下，还可以降低量子垒层的平均C杂质浓度，从而最终提高载流子在多量子阱中的迁移率。
附图说明
图1为本发明第一实施例当中提出的外延片的结构示意图；
图2为本发明第一实施例当中提出的外延片中的量子阱层的结构示意图；
图3为本发明第一实施例当中提出的外延片中的量子垒层的结构示意图；
图4为本发明第二实施例当中提出的外延片制备方法的流程图。
主要原件符号说明：
衬底10；缓冲层20；未掺杂的AlGaN层30；N型掺杂AlGaN层40；多量子阱层50；量子阱层51；第一量子阱子层510；第二量子阱子层511；第三量子阱子层512；量子垒层52；第一量子垒层520；第二量子垒子层521；电子阻挡层60；P型掺杂GaN层70；接触层80。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
此外，本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。在具体实施方式及权利要求书中，由术语“中的一者”连接的项目的列表可意味着所列项目中的任一者。例如，如果列出项目A及B，那么短语“A及B中的一者”意味着仅A或仅B。在另一实例中，如果列出项目A、B及C，那么短语“A、B及C中的一者”意味着仅A；仅B；或仅C。项目A可包含单个元件或多个元件。项目B可包含单个元件或多个元件。项目C可包含单个元件或多个元件。在具体实施方式及权利要求书中，由术语“中的至少一者”、“中的至少一种”或其他相似术语所连接的项目的列表可意味着所列项目的任何组合。例如，如果列出项目A及B，那么短语“A及B中的至少一者”或“A或B中的至少一者”意味着仅A；仅B；或A及B。在另一实例中，如果列出项目A、B及C，那么短语“A、B及C中的至少一者”或“A、B或C中的至少一者”意味着仅A；或仅B；仅C；A及B(排除C)；A及C(排除B)；B及C(排除A)；或A、B及C的全部。项目A可包含单个元件或多个元件。项目B可包含单个元件或多个元件。项目C可包含单个元件或多个元件。
实施例一
请参阅图1至图3，所示为本发明第一实施例中提出的外延片，所述外延片包括：
衬底10、依次外延生长于衬底上的缓冲层20、未掺杂的AlGaN层30、N型掺杂AlGaN层40、多量子阱层50、电子阻挡层60、P型掺杂GaN层70以及接触层80。
优选的，在本实施例当中，缓冲层20为AlN层，接触层80为AlGaN层。
多量子阱层包括周期性交替层叠的量子阱层和量子垒层，其中，周期个数可以根据实际情况进行设置，这里不予限定，在本实施例当中，如图1所示，周期个数为2个，具体的，量子阱层51包括依次层叠设置的第一量子阱子层510、第二量子阱子层511以及第三量子阱子层512，具体的，第一量子阱子层510、第二量子阱子层511以及第三量子阱子层512均为AlxGa1-xN层，其中，0<x<0.2。
量子垒层52包括周期性层叠在第三量子阱子层512上的第一量子垒子层520和第二量子垒子层521，其中，周期个数可以根据实际情况进行设置，这里不予限定，在本实施例当中，如图3所示，周期个数为2个，具体的，第一量子垒子层520和第二量子垒子层521均为AlyGa1-yN层，其中，0.3<y<0.8。
进一步的，第一量子阱子层510、第三量子阱子层512以及第二量子垒子层52均采用TMGa源进行生长，第二量子阱子层511和第一量子垒子层520均采用TEGa源进行生长，。
更进一步的，在本实施例具体实施时，第一量子阱子层510、第二量子阱子层511以及第三量子阱子层512的厚度均为1～2nm，例如，1nm、1.5nm、2nm等，第一量子垒子层520与所述第二量子垒子层521的厚度均为2～4nm，例如，2nm、3nm、4nm等。
综上，本发明上述实施例当中的外延片，通过将多量子阱层51中的量子阱层51由第一量子阱子层510、第二量子阱子层511以及第三量子阱子层512三个子层组成，三个子层生长采用的Ga源依次为TMGa/TEGa/TMGa，而量子垒层52设置成多周期循环交替第一量子垒子层520、第二量子垒子层521，其中，生长采用的Ga源为多周期循环交替的TEGa/TMGa，在量子阱层51中间插入TEGa作为Ga源生长，虽然TEGa生长时的解吸附效应比较大，但用TMGa作为Ga源生长覆盖，在不影响量子阱层51表面的平整度的前提下，还可以降低量子阱层51的平均C杂质浓度；多量子阱层51中的量子垒层52，同样TEGa生长完，用TMGa生长覆盖，在保证量子垒层52表面的平整度的前提下，还可以降低量子垒层52的平均C杂质浓度，从而最终提高载流子在多量子阱中的迁移率。
实施例二
请参阅图4，为本发明第二实施例中提出的外延片制备方法，所述外延片制备方法用于制备上述实施例一中提出的外延片，所述外延片制备方法包括步骤S10～S13。
步骤S10，提供衬底。
具体的，在本实施例当中，衬底采用蓝宝石衬底。
步骤S11，在所述衬底上依次外延生长缓冲层、未掺杂的AlGaN层、N型掺杂AlGaN层。
具体的，在衬底上利用PVD生长缓冲层，其中，生长温度为400-650℃，溅射功率为2000～4000W，生长压力为1～10torr，生长厚度为15至50nm；缓冲层在MOCVD中氢气气氛下进行原位退火处理，退火温度为1000℃-1200℃，退火压力为150Torr-500Torr，退火时间为5～10min；退火完成后，温度调节至1050℃-1200℃，生长厚度在1.0至3.0微米的未掺杂AlGaN层，其中，生长压力为50Torr至100Torr，Al组分为0.3-0.8；未掺杂AlGaN层生长结束后，生长一层Si掺杂的N型AlGaN层，生长厚度为1.0-3.0微米之间，生长温度为1100℃-1200℃，生长压力为50Torr～100Torr，Si掺杂浓度在1*1019cm-3-1*1020cm-3之间，Al组分为0.2-0.6。
步骤S12，在所述N型掺杂AlGaN层上依次交替层叠预设周期个量子阱层和量子垒层以形成所述多量子阱层。
具体的，N型掺杂AlGaN层生长结束后生长多量子阱层，周期性交替生长量子阱层和量子垒层，在本实施例当中，多量子阱层由5个周期AlxGa1-xN/AlyGa1-yN组成，其中，AlxGa1-xN为量子阱层，AlyGa1-yN为量子垒层。
更具体的，依次生长第一量子阱子层、第二量子阱子层以及第三量子阱子层以形成量子阱层，在第三量子阱子层依次交替层叠预设周期个第一量子垒子层和第二量子垒子层以形成量子垒层，在具体实施时，先通入TMGa源生长第一量子阱子层，然后停止TMGa源的通入并继续通入TEGa源以在第一量子阱子层上生长第二量子阱子层，接着停止TEGa源的通入并继续通入TMGa源以在第二量子阱子层生长第三量子阱子层，随后停止TMGa源的通入并继续通入TEGa源以在第三量子阱子层上生长第一量子垒子层，最后停止TEGa源的通入并继续通入TMGa源以在第一量子垒子层上生长第二量子垒子层。其中，第一量子阱子层、第二量子阱子层以及第三量子阱子层的生长温度均为1000℃-1100℃，生长压力均为40Torr～80Torr，第一量子垒子层和第二量子垒子层的生长温度均为1000℃-1200℃，生长压力均为40Torr到70Torr。
步骤S13，在最后一个所述量子垒层上依次层叠电子阻挡层、P型掺杂GaN层以及接触层。
具体的，在最后一个量子垒层生长完成后，后长AlGaN电子阻挡层，其中，生长温度为1000℃与1100℃，生长压力为50Torr～100Torr，生长厚度为20nm～100nm间，Al组分为0.1-0.5；电子阻挡层生长完后生长一层P型掺杂GaN层，生长厚度为30nm～200nm，生长温度为950℃～1050℃之间，生长压力为50Torr-300Torr，Mg掺杂浓度为1*1019cm-3-1*1020cm-3；在P型掺杂GaN层上生长AlGaN接触层，生长厚度为10nm～50nm，生长温度为1000℃-1100℃，生长压力为50Torr-100Torr，Al组分小于0.3。
该外延结构生长结束后，将反应腔温度降低，在氮气气氛中退火处理，退火温度区间为650℃-850℃，退火处理5到15分钟，降至室温外延生长结束。
进一步的，三甲基铝(TMAl)、三甲基镓或三乙基镓(TMGa或TEGa)、NH3分别作为Ⅲ族源和Ⅴ族源的前驱体，硅烷和二茂镁分别作为N型掺杂剂和P型掺杂剂的前驱体，N2和H2作为载气。
实施例三
本发明第三实施例中提出的发光二极管，包括上述实施例一中的外延片，所述外延片由上述实施例二当中外延片制备方法制备得到。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种外延片，包括多量子阱层，其特征在于，所述多量子阱层包括周期性交替层叠的量子阱层和量子垒层；
其中，所述量子阱层包括依次层叠设置的第一量子阱子层、第二量子阱子层以及第三量子阱子层，所述量子垒层包括周期性层叠在所述第三量子阱子层上的第一量子垒子层和第二量子垒子层，所述第一量子阱子层、所述第三量子阱子层以及所述第二量子垒子层均采用TMGa源进行生长，所述第二量子阱子层和所述第一量子垒子层均采用TEGa源进行生长。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第一量子阱子层、第二量子阱子层以及第三量子阱子层均为AlxGa1-xN层，其中，0<x<0.2。
3.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第一量子垒子层和第二量子垒子层均为AlyGa1-yN层，其中，0.3<y<0.8。
4.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第一量子阱子层、第二量子阱子层以及第三量子阱子层的厚度均为1～2nm。
5.根据权利要求4所述的外延片，其特征在于，所述第一量子垒子层与所述第二量子垒子层的厚度均为2～4nm。
6.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述外延片还包括衬底、缓冲层、未掺杂的AlGaN层、N型掺杂AlGaN层、电子阻挡层、P型掺杂GaN层以及接触层；
所述缓冲层、未掺杂的AlGaN层、N型掺杂AlGaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型掺杂GaN层以及接触层依次层叠于所述衬底上。
7.一种外延片制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1至6中任一项所述的外延片，所述外延片制备方法包括：
提供衬底；
在所述衬底上依次外延生长缓冲层、未掺杂的AlGaN层、N型掺杂AlGaN层；
在所述N型掺杂AlGaN层上依次交替层叠预设周期个量子阱层和量子垒层以形成所述多量子阱层；
在最后一个所述量子垒层上依次层叠电子阻挡层、P型掺杂GaN层以及接触层；
其中，依次生长第一量子阱子层、第二量子阱子层以及第三量子阱子层以形成所述量子阱层，在所述第三量子阱子层依次交替层叠预设周期个第一量子垒子层和第二量子垒子层以形成所述量子垒层。
8.根据权利要求7所述的外延片制备方法，其特征在于，所述依次生长第一量子阱子层、第二量子阱子层以及第三量子阱子层以形成所述量子阱层，在所述第三量子阱子层依次交替层叠预设周期个第一量子垒子层和第二量子垒子层以形成所述量子垒层的步骤包括：
先通入TMGa源生长第一量子阱子层，然后停止TMGa源的通入并继续通入TEGa源以在所述第一量子阱子层上生长第二量子阱子层，接着停止TEGa源的通入并继续通入TMGa源以在所述第二量子阱子层生长第三量子阱子层，随后停止TMGa源的通入并继续通入TEGa源以在所述第三量子阱子层上生长第一量子垒子层，最后停止TEGa源的通入并继续通入TMGa源以在所述第一量子垒子层上生长第二量子垒子层。
9.根据权利要求8所述的外延片制备方法，其特征在于，所述第一量子阱子层、第二量子阱子层以及第三量子阱子层的生长温度均为1000℃-1100℃，生长压力均为40Torr～80Torr，所述第一量子垒子层和第二量子垒子层的生长温度均为1000℃-1200℃，生长压力均为40Torr到70Torr。
10.一种发光二极管，其特征在于，包括权利要求1至6中任一项所述的外延片。
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